CN113625037B - 一种集群式和链式光学电流传感器及测量电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集群式和链式光学电流传感器及测量电流的方法，所述光学电流传感器包括信号处理系统和多个传感器系统。在进行光学电流传感时，所述的集群式光学电流传感器的多个传感器系统位于待测导体周围，可控电流源控制可控发光源发出可控光并转变为线偏振光，线偏转光在导体周围的磁场中，根据法拉第旋光效应产生不同的旋光角，光信号经过光电探测器输出的电信号及光电转速传感器输出的转速分别送到信号处理系统，经过求解非线性方程组的迭代算法，从而求解出被测电流的大小和集群式光学电流传感器的位置信息。
Description
技术领域
本发明属于电力系统中的电流测量技术领域，涉及一种以磁光材料为主要传感器件的电流测量传感器，尤其涉及一种集群式和链式光学电流传感器及测量电流的方法
背景技术
近年来随着电网运行电压等级的大幅提高，电场测量在电力系统中具有更为广泛的应用。电流互感器是电力系统计量和保护控制的重要设备，传统电磁式电流互感器在短路故障情况下出现严重的磁饱和现象，除此之外，电磁式电流互感器体积大、绝缘困难、响应频带窄、动态范围小等缺点也难以满足现代电力测量需求。基于法拉第磁光效应的新型光学电流互感器应运而生，特别是块状光学电流互感器的发展更是受到重视。光学电流互感器采用磁光材料作为传感介质，利用线偏振光经过置于外加磁场中的磁光材料时，偏振方向改变的角度与外加磁场成正比的特性，实现对电流的测量。
发明目的
本发明的目的就是针对现有技术中所存在的上述问题，提供一种制造工艺简单，造价低，更利于批量生产的集群式光学电流传感器和链式光学电流传感器，可避免磁场干扰对块状磁光玻璃互感器的影响，有效提高传感器的测量精度，消除因互感器位置变动因素对传感器长期运行稳定性的影响。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种集群式光学电流传感器，包括多个传感器系统(15)和1个集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)；所述传感器系统(15)沿光路传输方向依次连接的高稳定可控电流源(6)、受控发光源(7)、传感磁光光路结构(9)、光电探测器(10)、模/数转换器(11)；所述传感磁光光路结构(9)包括输入准直器(1)、起偏器(2)、磁光材料(3)、检偏器(4)、平行输出准直器(5)；其中，集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)包括集群式光学电流传感器数据处理单元(16)、三相电流信号输出单元(17)、互感器位置信号输出单元(18)、信号输出综合单元(19)。
优选地，所述传感磁光光路结构(9)被放置在待测导体周围，2～10个为一组，每组传感磁光光路结构(9)之间的排列方式为任意形状，均垂直于待测导体放置，传感磁光光路结构(9)距离待测导体间的距离范围为0.001mm-1000mm。多组传感磁光光路结构(9)以同一轴心层叠在一起。优选地，所述传感器系统(15)中的受控发光源(7)与传感磁光光路结构(9)之间由光纤连接，传感磁光光路结构(9)与光电探测器(10)之间由光纤连接。
优选地，所述待测导体包括A相导体(12)、B相导体(13)、C相导体(14)，A相导体(12)、B相导体(13)、C相导体(14)之间按照水平排列或正三角排列。
优选地，所述光电探测器(10)输出的电信号的模/数转换器(11)中，最终将数字信号输入到集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)；所述数字信号进入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)进行数据处理，数据处理后分别于三相电流信号输出单元(17)和互感器位置信号输出单元(18)输出三相电流信息和互感器位置信息，最终信号输出综合单元(19)将信息输出。
优选地，进入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)的多维数字信号根据法拉第旋光效应形成相对应的多维非线性方程，所述数据处理单元(16)利用迭代方法对该多维非线性方程组进行求解，求解出的三相电流瞬时值和互感器位置信号，并分别于三相电流信号输出单元(17)和互感器位置信号输出单元(18)输出。
根据本发明的另一个方面，提供了一种单对偏振片的链式光学电流传感器，由多条磁光材料将上述集群式光学电流传感器进行链式串联而成，仅在第一条磁光材料的首段放有起偏器，最后一条磁光材料的尾端有检偏器；每条磁光材料首段与尾端均有保偏准直器，上条磁光材料的尾端与下条磁光材料首段的保偏准直器用保偏光纤(8)进行连接。
优选地，所述单对偏振片的链式光学电流传感器由多条磁光材料将上述集群式光学电流传感器进行链式串联而成，在每条磁光材料的首段与尾端均放有起偏器和检偏器；上条磁光材料的尾端的检偏器与下条磁光材料首段的起偏器用光纤进行连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述集群式光学电流传感器测量电流的方法，包括以下步骤：
步骤1、将传感器结构(21)置于待测导体周围，一条导线周围配有一组传感器结构(21)，本组传感器结构(21)中的传感磁光光路结构(9)与垂直于该条导线；
步骤2：打开高稳定可控电流源(6)，高稳定可控电流源(6)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动受控发光源(2)输出高稳定的直流光强；
步骤3：打开光电探测器(10)的开关和模/数转换器(11)的开关；
步骤4：打开集群式光学电流传感器实时信号处理系统(21)电源，将数据处理程序及参数输入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)中；
步骤5：信号输出综合单元(19)输出三相电流信息和互感器位置信息。
一种使用上述集群式光学电流传感器测量电流及传感器位置的方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过所述高稳定可控电流源(6)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动受控发光源(7)输出高稳定的直流光强，光信号经过传感磁光光路结构(9)后到达光电探测器(10)；
步骤S2：所述集群式光学电流传感器通过传感磁光光路结构(9)中的磁光材料(3)的法拉第旋光效应感应此处的磁场强度；
步骤S3：所述模/数转换器(11)接收从光探测器(10)传输的模拟信号，并转换为数字信号传送给集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)中的集群式光学电流传感器数据处理单元(16)；
步骤S4：所述集群式光学电流传感器数据处理单元(16)通过算法运算测量三相电流信号和互感器位置信号，并由信号输出综合单元(19)将测量的信号输出。
附图说明
附图1为集群式光学电流传感器及其信号处理装置示意图；
附图2为单对偏振片的链式光学电流传感器及其信号处理装置示意图；
附图3和附图4为两种不同形式的多对偏振片的链式光学电流传感器及其信号处理装置示意图。
附图标记：1－输入准直器；2－起偏器；3－磁光材料；4－检偏器；5－平行输出准直器；6－高稳定可控电流源；7－受控发光源；8－保偏光纤；9－传感磁光光路结构；10－光电探测器；11－模/数转换器；12－待测电流导体A；13－待测电流导体B；14－待测电流导体C；15－传感器系统；16－集群式光学电流传感器数据处理单元；17－三相电流信号输出单元；18－互感器位置信号输出单元；19－信号输出综合单元；20－集群式光学电流传感器实时信号处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图为集群式光学电流传感器及其信号处理装置示意图，如图所示，A相导体(12)、B相导体(13)、C相导体(14)之间以平行方式水平排列放置，相邻导体间距离为定值，集群式光学电流传感器包括6个传感器系统(15)和1个集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)；其中，6个传感器系统(15)沿光路传输方向依次连接的高稳定可控电流源(6)、受控发光源(7)、光分光路(8)、传感磁光光路结构(9)、光电探测器(10)、模/数转换器(11)；其中，传感磁光光路结构(9)包括输入准直器(1)、起偏器(2)、磁光材料(3)、检偏器(4)、平行输出准直器(5)；其中，集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)包括集群式光学电流传感器数据处理单元(16)、三相电流信号输出单元(17)、互感器位置信号输出单元(18)、信号输出综合单元(19)。
所述集群式光学电流传感器通过法拉第磁光效应测量磁场强度从而反映待测导体内的电流大小，将传感器结构(21)置于待测导体周围，一条导线周围配有一组传感器结构(21)(数量为2～10个)，本组传感器结构(21)中的传感磁光光路结构(9)相互平行且都与垂直于被测电流导线；打开高稳定可控电流源(6)，高稳定可控电流源(6)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动受控发光源(2)输出高稳定的直流光强；打开光电探测器(10)的开关和模/数转换器(11)的开关；打开集群式光学电流传感器实时信号处理系统(21)电源，将数据处理程序及参数输入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)中；信号输出综合单元(19)输出三相电流信息和互感器位置信息。
集群式光学电流传感器数据处理单元(16)的具体计算过程如下：
Ia、Ib、Ic为三相电流，a、b、c为互感器左侧磁光玻璃距离最近导体之间的距离，I1～I6为模/数转换器输出的数字信号；d为相邻导体之间的距离，M为磁光玻璃长度的一半。
给定变量初始值为Ia (0)，Ib (0)，Ic (0)，a(0)，b(0)和c(0)，并令其修正量分别为ΔIa (0)，ΔIb (0)，ΔIc (0)，Δa(0)，Δb(0)和Δc(0)。
令迭代次数k＝0，开始迭代。
(1)计算不平衡量f1 (k)，f2 (k)，f3 (k)，f4 (k)，f5 (k)和f6 (k)
(2)计算其雅可比矩阵J
其中，
(3)解修正方程，计算第k次迭代得到的修正量ΔIa (k)，ΔIb (k)，ΔIc (k)，Δa(k)，Δb(k)和Δc(k)
(4)对变量进行修正
a(k+1)＝a(k)-△a(k)
b(k+1)＝b(k)-△b(k)
c(k+1)＝c(k)-△c(k)
(5)将ΔIa (k+1)，ΔIb (k+1)，ΔIc (k+1)，Δa(k+1)，Δb(k+1)和Δc(k+1)作为新的变量初值，按照(1)(2)(3)(4)重新进行下一次迭代，直至当满足时迭代结束。其中，ε为迭代精度；
一种集群式光学电流传感器的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、将传感器结构(21)置于待测导体周围，一条导线周围配有6个传感器结构(21)(数量为2～10个)，本组传感器结构(21)中的传感磁光光路结构(9)相互平行且都与垂直于被测电流导线；
步骤2：打开高稳定可控电流源(6)，高稳定可控电流源(6)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动受控发光源(2)输出高稳定的直流光强；
步骤3：打开光电探测器(10)的开关和模/数转换器(11)的开关；
步骤4：打开集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)电源，将上述数据处理程序及基本参数输入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)中，以三相电流IA＝100、IB＝100、IC＝-200为例验证，，输入基本参数a＝50、b＝50、c＝50对LABVIEW进行初始化，此时得到的数据为I1＝23.23、I2＝-21.634、I3＝-12.953、I4＝-73.566、I5＝-77.914、I6＝35.445，并利用上述处理过程进行计算并得到三相电流瞬时值Ia、Ib、Ic和互感器位置信号a、b、c最终结果，如下表所述：
实际值与测量值对照表
| IA | IB | IC | a | b | c | |
| 测量值 | 99.9723 | 99.9449 | -199.949 | 49.9903 | 49.9872 | 49.9845 |
| 实际值 | 100 | 100 | -200 | 50 | 50 | 50 |
步骤5：信号输出综合单元(19)输出三相电流信息Ia、Ib、Ic和互感器位置信息a、b、c。
本发明主要适用于电力系统电流测量，在传统电流测量的基础上，本发明提出一种集群式光学电流传感器测量电流及传感器位置的方法，所述方法包括以下步骤：
1)高稳定可控电流源(6)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动受控发光源(7)输出高稳定的直流光强，光信号经过传感磁光光路结构(9)后到达光电探测器(10)；
2)集群式光学电流传感器通过传感磁光光路结构(9)中的磁光材料(3)的法拉第旋光效应感应此处的磁场强度；
3)模/数转换器(11)接收从光电探测器(10)传输的模拟信号，并转换为数字信号传送给集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)中的集群式光学电流传感器数据处理单元(16)；
4)集群式光学电流传感器数据处理单元(16)通过算法运算测量三相电流信号和互感器位置信号，并由信号输出综合单元(19)将测量的信号输出。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明在测量三相电流时，通过将每相导体上的传感头相互耦合，使传感器输出结果中同时包含三相电流结果，避免了磁场干扰对块状磁光玻璃互感器的影响，有效提高传感器的测量精度。
2、本发明在测量三相电流时能够同时测得互感器与导体之间的位置关系，能够消除因互感器位置变动因素对传感器长期运行稳定性的影响。
3、本发明提出的互感器为多个块状磁光玻璃互感器，制造工艺简单，造价低，更利于批量生产。
本领域技术人员应该知晓，以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种集群式光学电流传感器，其特征在于，包括多个传感器系统(15)和1个集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)；
所述传感器系统(15)沿光路传输方向依次连接的高稳定可控电流源(6)、受控发光源(7)、传感磁光光路结构(9)、光电探测器(10)、模/数转换器(11)；
所述传感磁光光路结构(9)包括输入准直器(1)、起偏器(2)、磁光材料(3)、检偏器(4)、平行输出准直器(5)；
其中，集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)包括集群式光学电流传感器数据处理单元(16)、三相电流信号输出单元(17)、互感器位置信号输出单元(18)、信号输出综合单元(19)；
所述传感磁光光路结构(9)被放置在待测导体周围，2～10个为一组，每组传感磁光光路结构(9)之间的排列方式为任意形状，均垂直于待测导体放置，传感磁光光路结构(9)距离待测导体间的距离范围为0.001mm-1000mm；多组传感磁光光路结构(9)以同一轴心层叠在一起；
进入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)的多维数字信号根据法拉第旋光效应形成相对应的多维非线性方程，所述集群式光学电流传感器数据处理单元(16)利用迭代方法对该多维非线性方程进行求解，求解出三相电流瞬时值和互感器位置信号，并分别于三相电流信号输出单元(17)和互感器位置信号输出单元(18)输出。
2.根据权利要求1所述的一种集群式光学电流传感器，其特征在于，所述传感器系统(15)中的受控发光源(7)与传感磁光光路结构(9)之间由光纤连接，传感磁光光路结构(9)与光电探测器(10)之间由光纤连接。
3.根据权利要求1所述的一种集群式光学电流传感器，其特征在于，所述待测导体包括A相导体(12)、B相导体(13)、C相导体(14)，A相导体(12)、B相导体(13)、C相导体(14)之间按照水平排列或正三角排列。
4.根据权利要求1所述的一种集群式光学电流传感器，其特征在于，所述光电探测器(10)输出的电信号的模/数转换器(11)中，最终将数字信号输入到集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)；所述数字信号进入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)进行数据处理，数据处理后分别于三相电流信号输出单元(17)和互感器位置信号输出单元(18)输出三相电流信息和互感器位置信息，最终信号输出综合单元(19)将信息输出。
5.一种单对偏振片的链式光学电流传感器，其特征在于，由多条磁光材料将根据权利要求1-4任一所述的集群式光学电流传感器进行链式串联而成，仅在第一条磁光材料的首段放有起偏器，最后一条磁光材料的尾端有检偏器；每条磁光材料首段与尾端均有保偏准直器，上条磁光材料的尾端与下条磁光材料首段的保偏准直器用保偏光纤(8)进行连接。
6.一种单对偏振片的链式光学电流传感器，其特征在于，所述单对偏振片的链式光学电流传感器由多条磁光材料将根据权利要求1-4任一所述的集群式光学电流传感器进行链式串联而成，在每条磁光材料的首段与尾端均放有起偏器和检偏器；上条磁光材料的尾端的检偏器与下条磁光材料首段的起偏器用光纤进行连接。
7.一种应用根据权利要求1-4任一所述的集群式光学电流传感器的计算光学电流和互感器位置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将所述光学电流传感器置于待测导体周围，一条导线周围配有一组光学电流传感器，本组光学电流传感器中的传感磁光光路结构(9)垂直于该条导线；
步骤2：打开高稳定可控电流源(6)，高稳定可控电流源(6)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动受控发光源(7)输出高稳定的直流光强；
步骤3：打开光电探测器(10)的开关和模/数转换器(11)的开关；
步骤4：打开集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)电源，将数据处理程序及参数输入到集群式光学电流传感器数据处理单元(16)中；
步骤5：信号输出综合单元(19)输出三相电流信息和互感器位置信息。
8.一种应用根据权利要求1-4任一所述的集群式光学电流传感器测量电流及传感器位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过所述高稳定可控电流源(6)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动受控发光源(7)输出高稳定的直流光强，光信号经过传感磁光光路结构(9)后到达光电探测器(10)；
步骤S2：所述集群式光学电流传感器通过传感磁光光路结构(9)中的磁光材料(3)的法拉第旋光效应感应此处的磁场强度；
步骤S3：所述模/数转换器(11)接收从光电探测器(10)传输的模拟信号，并转换为数字信号传送给集群式光学电流传感器实时信号处理系统(20)中的集群式光学电流传感器数据处理单元(16)；
步骤S4：所述集群式光学电流传感器数据处理单元(16)通过算法运算测量三相电流信号和互感器位置信号，并由信号输出综合单元(19)将测量的信号输出。
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- 2021-08-02 CN CN202110882086.5A patent/CN113625037B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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